VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV FYZIKÁLNÍ A SPOTŘEBNÍ CHEMIE FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF PHYSICAL AND APPLIED CHEMISTRY VYUŽITÍ ZHÁŠENÍ FLUORESCENCE VE VÝZKUMU KOLOIDNÍCH SYSTÉMŮ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR BARBORA SRHOLCOVÁ BRNO 28

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV FYZIKÁLNÍ A SPOTŘEBNÍ CHEMIE FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF PHYSICAL AND APPLIED CHEMISTRY VYUŽITÍ ZHÁŠENÍ FLUORESCENCE VE VÝZKUMU KOLOIDNÍCH SYSTÉMŮ FLUORESCENCE QUENCHING IN COLLOID RESEARCH BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BARBORA SRHOLCOVÁ doc. Ing. MILOSLAV PEKAŘ, CSc. BRNO 28

3 Vysoké učení technické v Brně Fakulta chemická Purkyňova 464/118, 612 Brno 12 Zadání bakalářské práce Číslo bakalářské práce FCH-BAK29/27 Akademický rok: 27/28 Ústav Ústav fyzikální a spotřební chemie Student(ka) Srholcová Barbora Studijní program Chemie a chemické technologie (B281) Studijní obor Spotřební chemie (286R2) Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Konzultanti bakalářské práce Ing. Filip Mravec Název bakalářské práce: Využití zhášení fluorescence ve výzkumu koloidních systémů Zadání bakalářské práce: Hlavní náplň práce bude tvořit internetová a literární rešerše zaměřená na dosud známé teoretické poznatky o využití zhášení emise fluorescenčních sond ve výzkumu koloidních systémů, zejména určení polohy fluorescenční sondy, stanovení agregačního čísla a stanovení efektivní viskozity. Výstupem rešerše bude přehled užívaných systémů sonda-zhášeč, souhrn informací, které lze touto technikou získat a podmínky praktických experimentů Doplňková experimentální činnost bude zaměřena na jeden zvolen systém sonda-zhášeč a měření bude ve stanoveném modelovém prostředí. Termín odevzdání bakalářské práce: Bakalářská práce se odevzdává ve třech exemplářích na sekretariát ústavu a v elektronické formě vedoucímu bakalářské práce. Toto zadání je přílohou bakalářské práce. Barbora Srholcová doc. Ing. Miloslav Pekař, CSc. student(ka) Vedoucí práce Ředitel ústavu V Brně, dne doc. Ing. Jaromír Havlica, CSc. Děkan fakulty

4 ABSTRAKT Vyhledáváním z internetové a literární rešerše byly nalezeny dosud známé teoretické poznatky o využití zhášení emise fluorescenčních sond ve výzkumu koloidních systémů, zejména určení polohy fluorescenční sondy, stanovení agregačního čísla a stanovení efektivní viskozity. V experimentální části bylo studováno zhášení pyrenu v prostředí anionaktivního a neionogenního tenzidu. Jako zhášeče byly použity jodbenzen, tetrakyanoethylen a cetylpyridiniumchlorid. Pomocí experimentů bylo zjištěno agregační číslo micely. ABSTRACT Allready known theoretical observations about utilization of the emission quenching of fluorescence probes in the study of colloids were summarized by finding in the literature search and on the internet, especially the determination of the probe s location, the aggregation numer and finally the effective viscosity. In the experimental part was studied quenching of the pyrene in the medium of the anionogenic and non-ionic surfactants. As a quenchers were used iodobenzene, tetracyanoethylene and cetylpyridiniumchloride. Selected experiments helped by finding out the aggregation number of the micelle. KLÍČOVÁ SLOVA Fluorescence, zhášení fluorescence, agregační číslo, mikroviskozita, micely, pyren KEYWORDS Fluorescence, fluorescence quenching, aggregation numer, microviscosity, micelle, pyrene 3

5 SRHOLCOVÁ, B. Využití zhášení fluorescence ve výzkumu koloidních systémů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Miloslav Pekař, CSc. PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracovala samostatně a že všechny použité literární zdroje jsem správně a úplně citovala. Bakalářská práce je z hlediska obsahu majetkem Fakulty chemické VUT v Brně a může být využita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana FCH VUT.... podpis studenta Ráda bych poděkovala vedoucímu mé bakalářské práce doc. Ing. Miloslavu Pekařovi, CSc. a dále svému konzultantovi Ing. Filipu Mravcovi za pomoc a trpělivost, kterou se mnou měl. 4

6 OBSAH 1. ÚVOD TEORIE Fluorescence Fluorescenční sondy Pyren Tenzidy Micely Zhášení fluorescence Zhášeče fluorescence Přehled o intramolekulárních deexcitačních procesech excitačních molekul vedoucích k zhášení fluorescence Fenomenologické přibližování Dynamické zhášení Stern-Volmerův vztah Statické zhášení Tvoření základního stavu nefluorescenčních komplexů Určení statického a dynamického zhášení Využití zhášedel v praxi Fotoindukovaný přenos elektronů Tvoření excimerů a exciplexů Fotoindukující přenos protonu Stanovení excitovaného stavu pk* Přenos excitované energie Zářivý přenos energie Nezářivý přenos energie Agregační číslo Mikroviskozita Metodiky pro charakterizaci mikroviskozity EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Materiály a metody VÝSLEDKY A DISKUZE SDS Jodbenzen Tetrakyanoethylen Cetylpyridiniumchlorid TritonX Stanovení kritické micelární koncentrace Jodbenzen Tetrakyanoethylen Cetylpyridiniumchlorid ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM SYMBOLŮ PŘÍLOHY

7 1. ÚVOD Fluorescenční spektroskopie je velmi dobrá metoda k studiu roztoků koloidů, organických hmot a polymerů. V této práci bude naším cílem především charakterizace micel. Vlastnosti fluorescence, jako je intenzita fluorescence, poměr intenzit, zhášení a polarita, závisí na fyzikálních parametrech micely. Proto pokud chceme znát vlastnosti micely, jako je agregační číslo, N agg, kritická micelární koncentrace, (critical micellar concentration) cmc, mikroviskozita, η, a mikropolarita, je fluorescenční spektroskopie nejvhodnější metoda [1]. Jednou z nejpoužívanějších metod k zjištění micelárních vlastností je zhášení fluorescence. V nejjednodušších případech je zhášení fluorescence formulované pomocí Stern-Volmerovi rovnice, ve které je poměr intenzit fluorescence za nepřítomnosti zhášeče k intenzitě fluorescence v přítomnosti zhášeče lineární funkcí koncentrace zhášeče. Odchylky od linearity mohou být způsobeny nasycením roztoku nebo superlinearitou. V případě nasycení se zhášeč nedostane ke všem molekulám fluoroforu. Zhášení tak neprobíhá v celém systému. Superlinearita je častější a obvykle nastává kvůli rychlému rozdělení zhášeče do prostoru obsahující fluorofor. Zhášení v tomto případě probíhá mnohem rychleji. V systému se může vyskytnou i velmi vzácný stav, kdy probíhá současně statické i dynamické zhášení. Uvnitř micelárních roztoků jsou kinetické rovnosti založené na pravděpodobnostech setkání zhášeče a fluoroforu. Tyto pravděpodobnosti jsou založené na Poissonově vztahu. Pro tuto práci jsme použili dva druhy tenzidů, TritonX-1 jako neionogenní tenzid a SDS jako anionaktivní tenzid. Tyto tenzidy jsou široce užívané v průmyslových, biologických a fyzikálně-chemických aplikacích. Při jejich použití hrají důležitou roli struktura a dynamické vlastnosti tenzidu. Cílem této práce bylo získat parametry pro charakterizaci micelárních vlastností. Pomocí fluorescenční techniky bylo určeno agregační číslo, N agg, a kritická micelární koncentrace, cmc. 6

8 2. TEORIE 2.1. Fluorescence Fluorescence je spojená s přechodem elektronů na nejnižší vibrační hladinu základního stavu S. Dochází k ní při přechodu molekuly z nulové vibrační hladiny excitovaného singletového stavu S 1 na různé vibrační hladiny základního stavu S. Tento přechod vyžaduje stejnou energii, jako byla excitační energie při přechodu na nižší hladinu excitačního stavu S 1. Energie emitovaného záření ve formě fluorescence je menší nebo rovna absorbované energii. Díky tomu je fluorescenční spektrum dané látky posunuto k vyšším vlnovým délkám oproti absorpčnímu spektru [1]. Procesy, které se vyskytují mezi absorbovaným a emisním světlem jsou obvykle ilustrovány Jablonského diagramem. První singletový stav a dva elektronické stavy jsou zobrazené v diagramu (S, S 1 a S 2 ). V každé z těchto energetických hladin může fluorofor excitovat v několika vibračních energetických hladinách, označených, 1, 2 atd. Pohlcení elektronu nastává u molekul s nižší vibrační energií. Molekuly ve stavu S 1 a S 2 můžou podstoupit rotaci, při které se změní na triplexový stav T 1 a T 2. Vysílání elektronu z triplexového stavu je nazývané fosforescencí a je posunuté k větším vlnovým délkám vzhledem k fluorescenci. Konverze mezi S 1 a T 1 je nazývána mezisystémovým přechodem. Přechod od T 1 zpět do singletového základního stavu je zakázaný. Nákres Jablonského diagramu ukazuje, že vysílání energie je menší než její pohlcení. Z tohoto důvodu fluorescence nastává při nižších energiích nebo při delších vlnových délkách [2]. Obr.1: Zářivé a nezářivé přechody mezi elektronovými stavy, kde S, S 1, S 2 jsou elektronové stavy, T 1, T 2 představují vibrační úroveň, A je absorpce, F vyjadřuje fluorescenci a P fosforescenci [1] Fluorescenční spektroskopie nám umožňuje studium roztoků, koloidů a polymerů [8]. Pomocí fluorescence se dá určit pozice sondy [16]. 7

9 2.2. Fluorescenční sondy Volbou vhodné fluorescenční sondy můžeme zjistit různé vlastnosti měřeného roztoku. Volba vhodné sondy ve fluorescenční spektroskopii je velice důležitá, jelikož právě její vlastnosti nám umožní získat tyto potřebné informace. Fluorescenční sondy jsou nevlastní fluorofory, které se ke sledované struktuře vážou nekovalentně a často přitom mění své fluorescenční vlastnosti. To jestli je sonda hydrofobní, hydrofilní nebo amfifilní, je základním znakem fluorescenční sondy. Vlastnosti sondy závisí na fyzikálních parametrech micely. Základními vlastnostmi jsou intenzita a doba fluorescence, poměr intenzit fluorescence, zhášení fluorescence a polarizace Pyren Pyren je složen ze čtyř seskupených kondenzovaných benzenových jader (viz. Obr. 2) [13]. Je hydrofóbní povahy, to znamená, že v micele bude zaujímat pozice blízko micelárního jádra. Patří mezi nejpoužívanější neutrální fluorescenční sondy [12]. Pomocí ní se dá určit změna polarity v mikroprostředí a kritická micelární koncentrace [9], [1]. Jeho emisní spektrum Obr. 2: Pyren charakterizuje skupina pěti píků v regionu od 37 nm do 4 nm [18]. Jeho rozpustnost v micelách dovoluje sledovat formace excimeru pyrenu [9], [25]. Poměr fluorescence I 1 /I 3 udává míru polarity v mikroheterogenních systémech [17] Tenzidy Tenzidy jsou obecně látky, jejichž molekula se skládá z polární (hydrofilní) a nepolární (lipofilní) části. Nepolární část molekuly tvoří obvykle dlouhý uhlovodíkový řetězec, zatímco polární část je tvořena výrazně polární skupinou, jako je např. karboxylová skupina COOH, sulfonová skupina SO3H atd.. Jsou to povrchově aktivní látky [21]. Tenzidy se dělí podle náboje na ionogenní a neionogenní. Ionogenní se pak ještě dělí na kationaktivní, anionaktivní a amfotermní. Mezi kationaktivní tenzidy patří například decylamoniumbromid, cetylpiridiniumbromid (CPB) a cetyltrimethylamoniumbromid (CTAB). Mezi anionaktivní tenzidy patří dodecylsulfát sodný (SDS), kyselina cholová a decylsulfát sodný. Jako amfotermní tenzid je znám 3-(dodecyldimethylamonio)-1- propansulfonát nebo 1-(trimethylamonio)tetradekanoát. Mezi neionogenní tenzidy pak řadíme polyoxyethylen(3)dekanol, polyoxyethylen(9,5)oktylfenol (Triton X-1) a polyoxyethylen(23)dodekanol (Brij 35) [21]. 8

10 a) b) c) Obr. 3: Chemická struktura: a) cetyltrimethylamoniumbromid (CTAB), b) dodecylsulfát sodný (SDS), c) polyoxyethylen(9,5)oktylfenol (Triton X-1) [22] 2.4. Micely Micely jsou koloidní částice přibližně kulovitého tvaru. Jejich povrch je tvořen strukturami, jejichž interakce s rozpouštědlem je energeticky výhodná, a vnitřní část je tvořena strukturami, jejichž interakce s rozpouštědlem je nevýhodná. Ve vodném prostředí je tedy povrch micely hydrofilní a vnitřní části hydrofóbní [7], [9], [1]. V nepolárním prostředí se mohou tvořit tzv. inversní micely s obráceným uspořádáním polárních a nepolárních částí [2]. Jejich velikost závisí na délce řetězce tenzidu [7], [13]. Amfoterní a neiontové micely jsou kompaktnější [24]. Micelární roztoky jsou komplexní mikroheterogenní systémy a molekulové sondy jsou velmi dobré nástroje k zjištění micelární struktury v různých regionech systému[1]. Charakteristické vlastnosti micely se snažíme objasnit kvůli pochopení různých chemických a biologických procesů [3]. Měření fluorescence je nejlepší a nejpoužívanější metoda k určení těchto vlastností díky její vysoké citlivosti. a) b) Obr. 4: a) klasická micela, b) inverzní micela 9

11 2.5. Zhášení fluorescence Bimolekulární deaktivační mechanismy, které zahrňují přenos energie z jedné molekuly na druhou charakterizují zhášení fluorescence [27]. Kolizní zhášení nastává, pokud je excitovaný stav fluoroforu deaktivovaný na kontaktu s nějakou další molekulou, zhášečem. V tomto případě je fluorofor vrácen zpět do základního stavu a jeho molekuly se postupem času chemicky nemění [2]. Zhášení fluorescence může nastat i díky mezimolekulové interakci mezi aromatickými chromofory, kde změna síly vazby vyvolá excitaci, při které vznikají nové vibrační režimy, které pojí excitované stavy se stavy základními [15]. Zhášení se může vyskytovat i díky optickým vlastnostem systému (vzorek, kyveta, etc.): například vysoká optická hustota nebo kalnost roztoku může být příčinou snížení intenzity fluorescence [2] Zhášeče fluorescence Zhášeče se používají k zjištění fluorescence v membráně. Při zvýšení koncentrace zhášeče se zkracuje délka fluorescence [18]. Jedením z nejvýznamnějších kolizních zhášečů je molekulový kyslík, který zháší téměř všechny známé fluorofory. Fluorofor se díky kyslíku dostává do tripletového stavu. V tomto stavu se pak postupně snižuje intenzita fluorescence. Aromatické a alifatické aminy jsou účinné zhášeče u nesubstituovaných aromatických uhlovodíků (například, fluorescence antracenu je účině zhášena diethylanilinem). V tomto případě je příčinou zhášení fluorescence tvoření excitovaného komplexu. Zhášení může nastat i při přídavku těžkých atomů, jako je bróm, chlór a jód nebo při přídavku halogenidových sloučenin, například jodbenzen. Srážka s fluoroforem způsobí, že se fluorofor dostane do tripletového stavu. A jelikož je emise tripletového stavu pomalá, je tato emise zhášená jinými procesy. Chlor je dobrým zhášečem pro indol, karbazol a jejich deriváty [2]. Bróm patří mezi krátkodobé zhášeče [26] Přehled o intramolekulárních deexcitačních procesech excitačních molekul vedoucích k zhášení fluorescence Fenomenologické přibližování Fenomenologické přibližování nastává u intramolekulárních procesů, kde excitovaná molekula M* a nějaká jiná molekula Q (zhášeč) jsou v systému konkurenti s vnitřní deexcitací molekuly M*. - Případ A: Q je ve velkém přebytku V tomto případě je vysoká pravděpodobnost, že v čase excitace bude Q a M* ve vzdálenosti, kde je významná interakce. Pokud je tu pravděpodobnost nalezení zhášeče menší než 1, jedná se o statické zhášení. Ve chvíli setkání Q disociuje s M*. Pokud je tu pravděpodobnost nalezení zhášeče rovna 1, je to příklad fotoindukčního přenosu protonu ve vodných roztocích z excitované kyseliny M*. M* je ve chvíli setkání ve funkci příjemce protonu. - Případ B: Q není ve velkém přebytku V tomto případě Q a M* nejsou v kontaktu během doby fluorescence. Zhášení se tu pak může vyskytovat jen pokud jsou mezimolekulové interakce ve vzdálenostech, které jsou kratší než kolizní vzdálenost. 1

12 - PřípadC: Q není ve velkém přebytku, ale interakce mezi Q a M* je možná během doby fluorescence Tento případ je označovaný jako dynamické zhášení. Zde je bimolekulární excitovaný proces řízenou difuzí. Pokud je Q identické s M*, jedná se o samozhášení bez vytvoření produktů. Meziprodukt (MM)* je pak nazývaný excimerem. produkty Obr. 5: Efekt mezimolekulových fotofyzikálních procesů na vyslání fluorescence, kde k 1 je rychlostní konstanta druhého řádu pro tvoření páru (M* Q), k -1 je rychlostní konstanta zpětné reakce prvního řádu, k R je rychlostní konstanta prvního řádu, k M = (1/τ) je rychlostní konstanta pro skutečnou deexcitaci M* a hν je zářivá energie [1] Můžou nastat tři případy rychlostní konstanty k R : 1) k R > k 1, Q, k -1, 1/τ. Tato reakce je difuzně omezená a pozorovaná rychlostní konstanta pro zhášení, k q, je rovna rozptylu rychlostní konstanty k 1. 2) k R < k 1, Q, k -1, 1/τ. V tomto případě je rovnováha reakce dosažena před tvořením produktů. 3) k R k 1, Q, k -1, 1/τ. Zde je k q < k 1. Pak můžeme napsat k q = pk 1, kde p je pravděpodobnost setkání párů v reakci, často nazývaná jako efektivita Dynamické zhášení Excitované molekuly, které jsou v době excitace v krátké vzdálenosti od zhášeče Q, interagují s ním v průměru v kratších časech než ty, které jsou víc vzdáleny, protože vzájemný přístup vyžaduje delší čas před začátkem interakcí. Takovéto přechodné jevy nejsou důležité pro mírné koncentrace zhášeče v rozpouštědle, ale pro větší koncentrace významné jsou. Následkem těchto přechodných jevů je Stern-Volmerův vztah [1]. Větší teplota má za následek větší koeficient difuze, bimolekulární zhášecí konstanty se zvyšují se zvyšující se teplotou (rovnice 2.1) [2], [6]. φ Stern-Volmerův vztah je obvykle dán φ ku [ Q ], protože se očekává, že bude φ φ lineárně závislé na koncentraci. Pokud jsou tu přítomny dva fluorofory a jeden z nich není přístupný k zhášeči, tak se členy ze Stern-Volmerovi rovnice odchýlí od linearity směrem k x- ové ose. Tato odchylka je často nalezená při zhášení fluorescence tryptofanu v proteinech s nabitými zhášeči. Zhášeče neproniknou vodou do interiéru proteinu, takže jsou zhášená jen zbytková množství tryptofanu na povrchu proteinu. Je důležité podotknout, že pozorování lineárního Stern-Volmerova vztahu neprokáže, že nastalo dynamické zhášení fluorescence. I statistické zhášení, jak je uvedeno níže, má za následek lineární Stern-Volmerovu závislost [2]. 11

13 Stern-Volmerův vztah φ I = = 1+ k τ 1 φ I [ Q] = K [ Q] q + SV (2.1) I, I jsou intenzity fluorescence ustáleného stavu, pro několik vlnových délek, za nepřítomnosti a v přítomnosti zhášeče φ a φ je kvantový výtěžek fluorescence s resp. bez přítomnosti zhášeče τ je délka života excitovaného stavu za nepřítomnosti zhášeče [Q] je koncentrace zhášeče [1], [8], [11], [12], [14] - Stern-Volmerova konstanta K SV = k q τ (2.2) nebo: kqe K SV = (2.3) k K SV je Stern-Volmerova zhášecí konstanta k q je bimolekulární zhášecí konstanta k qe je konstanta kolizního zhášení k E je konstanta excitovaného stavu Pokud víme, že se jedná o dynamické zhášení, bude Stern-Volmerova zhášecí konstanta značená K D [13], [18] Statické zhášení Termín statické zhášení naznačuje buď excitaci sféry efektního zhášení nebo tvoření základního stavu nefluorescenčního komplexu. Při tvoření nefluorescentních komplexů mezi fluoroforem a zhášečem, komplex absorbuje světlo a ihned se vrací do základního stavu bez vysílání fotonu. Závislost intenzity fluorescence na koncentraci zhášela je snadno odvozena z disociační konstanty pro tvorbu komplexů. Tato konstanta je dána: [ M Q] K SV = (2.4) [ M ][ Q] kde [ M Q] je koncentrace komplexu, [ M ] je koncentrace fluoroforu a [ Q] je φ koncentrace zhášeče. Pokud je komplexní druh nefluorescent, pak zlomek fluorescence, φ která zůstává, říká, že celková koncentrace fluoroforu je dána vztahem: [ M ] = [ M ] + [ M Q] (2.5) Po dosažení [ F] do disociační konstanty dostaneme: [ M ] [ M ] [ M ] 1 K S = = (2.6) M Q M Q Q [ ][ ] E [ ][ ] [ ] Z rovnic 2.5 a 2.6 dostaneme vztah pro intenzitu fluorescence: M = 1+ K S [ Q] (2.7) M Z tohoto vztahu vyplívá, že závislost φ φ na koncentraci je lineární a je identická s pozorovaným dynamickým zhášením, jen zhášecí konstanta je nahrazena disociační konstantou. 12

14 Pro rozlišení statického a dynamického zhášení je nejvhodnější metoda měření fluorescence po celou délku života. Komplexní flourofory jsou nefluorescentní a jediný pozorovaný fluorescent je z nekomplexního fluoroforu. Proto pro statické zhášení platí τ / τ = 1, ale pro dynamické zhášení platí τ / τ = φ / φ [2]. Molekuly zodpovědné za statické zhášení jsou například chinony, hydrochinony, puriny a pyrimidiny [1]. Excitace sféry efektivního zhášení nastává, pokud M* a Q nemůže v době excitace měnit úměrně k sobě své pozice v prostoru. Perrin navrhl model, který předpokládá, že zhášení fluorescence je kompletní, pokud je Q umístěné uvnitř sféry objemu V q prostředí M. Pokud je zhášeč vně aktivní sféry, nemá to žádný vliv na M. Proto je intenzita fluorescence v roztocích snížena při přidání Q, ale fluorescence rozkladu po impulsní excitaci je nezměněna Tvoření základního stavu nefluorescenčních komplexů Předpokládejme, že nefluorescenční komplex je rovnovážný podle rovnice: M + Q MQ (2.8) Délka excitovaného stavu nekomplexního M je neovlivněná v kontrastu s dynamickým zhášením. Intenzita fluorescence se snižuje s přidáním Q, ale fluorescence rozkladu po impulsní excitaci je nezměněna Určení statického a dynamického zhášení Charakteristický rys Stern-Volmerovy rovnice při kombinovaném zhášení ukazuje rostoucí křivku vypouklou směrem k ose y. Pak je dán poměr fluorescence vztahem: φ = ( 1+ KD [ Q] )( 1+ KS [ Q] ) (2.9) φ Statické a dynamické zhášení se dá rozpoznat jejich odlišnou závislostí na teplotu a viskozitu. Vyšší teplota má za následek rychlejší rozptyl, což znamená, že je tu větší množství dynamického zhášení. Vyšší teploty mají za následek odloučení slabě vázaných komplexů a proto se tu vyskytuje menší množství statického zhášení [2]. Jednou z adičních metod pro rozlišení statického a dynamického zhášení je zkouška spektrálního pohlcení fluorescence. Dynamické zhášení ovlivňuje jen excitované stavy fluoroforu, takže nedojde k žádné změně spektrálního pohlcení. Na rozdíl od toho, tvorba komplexů v základním stavu bude mít často za následek změnu absorpčního spektra fluoroforu Využití zhášedel v praxi Jak u statického tak i u dynamického zhášení, musí být fluorofor a zhášeč v kontaktu. Tento fakt nám umožňuje četné aplikace zhášení v praxi. Například, zhášecí měření můžou odhalit přístupnost fluoroforu ke zhášeči. Pokud fluorofor umístíme v interiéru membrány nebo proteinu, které jsou pro zhášeč nepropustné, pak se nemůže vyskytovat žádné dynamické ani statické zhášení [2]. 2 Δ x, přes kterou se zhášeč může rozptýlit během celé doby Efektivní vzdálenost ( ) excitovaného stavu ( τ ), je daná vztahem: kde D je koeficient difůze. ( x ) 2 = 2Dτ Δ (2.1) 13

15 Z tohoto důvodu může zhášení fluorescence odhalit rozptyl zhášečů přes mírně velké vzdálenosti, které jsou srovnatelné s velikostí proteinů a membrán [2] Fotoindukovaný přenos elektronů Fotoindukovaný transport elektronů (PET) je často zodpovědný za fluorescenční zhášení. Je zapojen do četných organických fotochemických reakcí (fotosyntéza, umělé systémy pro konverzi sluneční energie). Fluorescenční zhášecí experimenty poskytují užitečný náhled do přestupných procesů elektronů, které se vyskytují v těchto systémech [1] Tvoření excimerů a exciplexů Fluorescence excimeru je umístěna ve vyšších vlnových délkách než u monomeru a neukáže vibraci skupiny. Excimery tvoří aromatické uhlovodíky jako je například naftalen nebo pyren. Monomerní skupina Excimerní skupina Obr. 6: Excimerní formace s odpovídající monomerní a excimerní skupinou [1] Na obrázku 6 představuje nižší pík odpuzující energii mezi dvěma molekulami v základním stavu. Horní pík, který je vztažený ke dvěma molekulám (jedna z nich je v základním stavu), ukazuje minimum tvoření excimeru, ve kterém jsou dva aromatické kruhy v určité vzdálenosti. Pokud jsou dva monomery propojeny krátkým volným řetězcem, mohou být vytvořeny intramolekulární excimery. Exciplexy jsou komplexy v exitovaném stavu. Jsou vytvořeny střetem excitované molekuly (donorem nebo akceptorem elektronu) s rozdílnou neexcitovanou molekulou (akceptor nebo donor elektronu). 1 * 1 * D + A (DA) (2.11) 1 * 1 * A + D (DA) (2.12) Jako příklad exciplexu můžeme uvést excitovaný stav komplexu antracenu a N,N-diethylanilinu. Tento proces spočívá v přenosu elektronu z amino molekuly na excitovanou antracenovou molekulu. V nepolárních rozpouštědlech, jako je hexan, je zhášení 14

16 doprovázeno širokými strukturami emisních skupin a exciplexní pás je ve vyšších vlnových délkách než u antracenu. Tvoření excimerů a exciplexů jsou rozptylově řízené procesy. Fotofyzikální efekty se objevují v relativně vysokých koncentracích, to znamená, že se během celé doby excitace objevuje dostatečné množství srážek Fotoindukující přenos protonu Molekuly vody jsou tu ve funkci buď akceptoru nebo donoru protonu, molekula bude tedy v blízkém kontaktu s kyselinou nebo bude poskytovat základ excitovanému stavu deprotonizace nebo protonizace. Kyselé nebo zásadité vlastnosti molekuly, která absorbuje světlo, nejsou stejné v základním a excitovaném stavu. Jedním z možných příčin tohoto pozorování může být přerozdělení elektronové hustoty. Nejzajímavější případy jsou ty, kde jsou kyseliny a zásady silnější v excitovaném stavu než ve stavu základním. V těchto případech může excitace spustit fotoindukovaný přenos protonu. Pak kyselý charakter akceptoru protonu může být excitací zvětšený tak, že pk* této skupiny v excitovaném stavu je mnohem nižší než pk ve stavu základním. Přenos protonu během celého excitovaného stavu závisí na relativních rychlostech elektronu Stanovení excitovaného stavu pk* Pokud je excitace kyseliny silnější v excitovaném stavu než ve stavu základním (pk*<pk), je rovnovážná konstanta excitovaného stavu rovna: * k1 K = (2.13) k 1 Kde k 1 je rychlost reakce a k -1 je rychlost zpětné reakce. - Určení pk* prostřednictvím Försterova cyklu pk* může být spolu se spektroskopickými měřeními stanoveno přes Försterův cyklus. * N hν ΔH = N hν + ΔH a AH + a A (2.14) * Kde Δ H a ΔH je standardní molární ionizační entalpie AH a AH*, hν AH a hν A jsou energetické rozdíly mezi excitovaným a základním stavem AH a A - a N a je Avogadrova konstanta. Tato rovnost pak může být přepsána jako : * ΔH ΔH = N ( hν hν ) (2.15) a A AH Obr. 7: Förstrův cyklus [1] 15

17 Pokud budeme předpokládat, že se ionizační entropie rovná rozdílu mezi entalpiemi, můžeme standardní vlnovou energii psát jako: ΔG = RT ln K = 2, 3RTpK (2.16) * * * ΔG = RT ln K = 2,3RTpK (2.17) Kde R je plynová konstanta a T je absolutní teplota. Ze vztahu 2.15 a převedením četností do vlnových délek dostáváme vztah: * 3 pk pk = 2,1 1 ( ν A ν AH ) (2.18) Tato rovnice ukazuje, že emisní pás základní formy je umístěný ve vyšších vlnových délkách než emisní pás kyselé formy. pk* je menší než základní stav pk a AH* je silnější kyselina než AH. Použití Försterova cyklu je obtížné pokud: 1) se dva absorpční pásy překrývají 2) se převrátí elektronická úroveň během excitovaného stavu 3) mají excitované kyselé a zásadité formy různý počet orbitalů 4) jsou změny na excitaci, v momentě dipólu, různé v kyselé a v zásadité formě - Určení rychlostní konstanty pomocí zvoleného času Je to nejspolehlivější metoda na určení rychlostních konstant k 1 a k -1. Je založena na experimentálně zvoleném čase. Poskytuje hodnotu délky života excitovaného stavu, ze které se pak stanovují k 1 a k Přenos excitované energie Energetický přenos z excitované molekuly (z donoru) na molekulu, která je chemicky různá (akceptor), se nazývá heterogenní přenos. Tento proces je možný pokud vysílané spektrum donoru částečně překrývá absorpční spektrum akceptoru. * * D + A D + A (2.19) Pokud jsou donor a akceptor identické, jedná se o homogenní přenos. Pokud se proces může opakovat sám, excitace se stěhuje přes několik molekul, jedná se o dopravu excitace Zářivý přenos energie Je to dvoufázový proces, kdy je foton emitovaný donorem (D) zachycený akceptorem, který je chemicky různý (A) nebo identický (D). Je pozorovaný, pokud je průměrná vzdálenost mezi donorem a akceptorem větší než vlnová délka. U tohoto procesu záleží na spektrálním překrytí a na koncentraci. * D D + hν (2.2) * * hν + A A nebo D + hν D (2.21), (2.22) Má za následek snížení intenzity fluorescence donoru v regionu spektrálního překrytí Nezářivý přenos energie Nezářivý přenos nastává bez vysílání fotonů ve vzdálenostech menších než je vlnová délka. Vyplývá ze vzájemných ovlivňování mezi molekulami. Přenos energie může být způsoben různými interakčními mechanismy. Vzájemná ovlivnění mohou být způsobeny columbickými silami a nebo mezimolekulovým orbitálním překrytí. 16

18 2.16. Agregační číslo Agregační číslo vyjadřuje počet molekul tenzidu podílejících se na struktuře micely. Je jedním z charakteristických znaků micely [3], [1], [21]. Agregační číslo se určuje pomocí zhášení fluorescence sondy vložené do micely [4], [18]. Můžeme ho získat pomocí zjištěné doby zhášení fluorescence (time resolved fluorescence quenching), TRFQ, (rovnice ), [4], [5], [9], [1] nebo pomocí poměru intenzit fluorescence bez a s přítomností zhášeče (rovnice 2.27) [5]. I t) = A exp{ -A t-a [1- exp( -A )]} (2.23) Kde A 1 = I ( t a parametry A2 až A 4 dostaneme: A k + k kqm [ Q] ( 1+ K[ M ])( k + kqm ) 2 k [ Q] 2 = + A 3 = 2 1 ( k + k ) + [ M ] A qm 4 qm K = k + k qm = k = S Kde k je rychlostní konstanta fluorescence za nepřítomnosti zhášeče, k + a k - jsou + k rychlostní konstanty zhášeče při vstupu a výstupu z micely v tomto pořadí, K = je k + S 3 2 [ Q] [ Q] (2.24) (2.25) (2.26) rovnovážná konstanta zhášeče vázaná k micele, k qm je rychlostní konstanta zhášení fluorescence uvnitř micely a [Q] a [M] jsou koncentrace zhášeče a micely v tomto pořadí [9]. I [ Q] [ ] = exp (2.27) I M Kde I a I jsou intenzity fluorescence bez a s přítomností zhášeče. Z těchto vztahů můžeme zjistit koncentraci micely, z které pak určíme agregační číslo pomocí vztahu: ctenzidu cmc N agg = (2.28) [ M ] Agregační číslo se určuje pomocí lineární závislosti koncentrace zhášeče na intenzitě fluorescence [18]. Podle metody Turoa a Yekta se určení agregačního čísla řídí následujícími předpoklady: - micely musí být monodisperzní - sonda a zhášeč musí být hydrófobní a lokalizované v micelách - pozorovaná fluorescence je vydaná ze sondy lokalizované v micele - náhodné spojení sondy a zhášeče s micelami je popsané Poissonovou rovnicí (viz. příloha) Agregační číslo může ovlivnit koncentrace tenzidu. Při vysokých koncentracích se agregační číslo snižuje. Dále se tato hodnota může snížit, pokud je k qm < k, to je dané extrémě vysokou mikroviskozitou micelárního jádra [9]. Agregační číslo ovlivňuje i teplota, čím je vyšší teplota, tím je vyšší agregační číslo [1]. Agregační číslo je ovlivněné i přídavkem soli. Pokud přidáme do roztoku sůl, výrazně se sníží cmc, což znamená, že agregační číslo bude větší [18]. 17

19 2.17. Mikroviskozita Nejdříve popíšeme viskozitu jako makroskopický parametr. Makroviskozita, jako fyzikální veličina, udávající poměr mezi tečným napětím a změnou rychlosti v závislosti na vzdálenosti mezi sousedními vrstvami při proudění skutečné kapaliny. Viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření a závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. Kapaliny s větší přitažlivou silou mají větší viskozitu, větší viskozita znamená větší brždění pohybu kapaliny nebo těles v kapalině. Ideální kapalina má viskozitu nulovou [23]. Protože je viskozita makroskopický parametr, fluorescenčním měřením nelze dostat absolutní hodnoty viskozity roztoku. Efektivní viskozita neboli mikroviskozita je charakterizována změnou v pohybovém a rotačním difúzním momentu. Problém je spojení difúzního koeficientu D (viz rovnice 2.29) a viskozity η [1]. kt D = (2.29) ξ Kde k je Boltzmanova konstanta, T je absolutní teplota a ξ je koeficient tření. Ekvivalentní viskozita představuje viskozitu homogenního prostředí, ve kterém je odpověď sondy vždy stejná. Látky rozpuštěné v roztoku se pohybují shodně s dvěma difuzními mechanismy: - Stokesův rozptyl, kdy difuzní proces probíhá s posunem solventních molekul (ξ 1 ) - volná objemová difuze, kdy se molekuky stěhují do děr rozpouštědla (ξ 2 ) Difuzní mechanismus Stokes Volný objem Obr. 8: Difuzní translační procesy. Černá kulička představuje rozpuštěnou látku, bíla kulička představuje rozpouštědlo [1]. Pro difuzní koeficient tu platí vztah: kt D = (2.3) ξ micro = + (2.31) ξ ξ ξ micro Metodiky pro charakterizaci mikroviskozity 1 Volba vhodné metody závisí na systému, který má být studován. Metody založené na mezimolekulovém zhášecí nebo mezimolekulové excimerní formaci nejsou doporučené pro studie mikroviskozity v mikroheterogenních roztocích kvůli rušivým vlivům difuze. 2 18

20 Vhodnější je použití molekulových rotorů nebo metody založené na intramolekulární excimerní formaci. U všech technik je potřeba upozornit na to, že může být stanovena jen ekvivalentní viskozita. Dále si musíme dát pozor na to, že odpověď sondy může být různá v rozpouštědlech různé chemické povahy a struktury se stejnou viskozitou. Taky nesmíme zapomenout na to, že měření efektivní viskozity je závislé na výběru vhodné sondy. - Použití molekulových rotorů Molekulové rotory patří do skupiny difenylmethanových barviv, jako je například aurami O a trifenylmethanových barviv, do kterých patří krystalová violeť. Molekulové rotory, jako fluorescenční sondy, jsou molekuly, které podstupují vnitřní rotaci. Tyto rotory mění emisní vlastnosti spektra. Při této metodě se měří kvantový výtěžek fluorescence a délka fluorescence. Viskozita je závislá na kvantovém výtěžku fluorescence [17]. - Metoda založená na intermolekulární zhášecí nebo intermolekulární excimerní formaci Dynamické zhášení se používá k tomu, aby poskytla informaci o tekutosti mikroprostředí. Dynamické zhášení se ale musí vyskytovat v časovém režimu srovnatelným s excitovaným stavem fluoroforu. Změny mikroviskozity mohou být pak sledovány přes střídání poměrů I /I pro zhášení a I E /I M pro excimerní formaci [17]., protože tyto dvě množství jsou úměrné difuzní rychlostní konstantě k 1, na které závisí D (viz. rovnice 2.32) [1]. k = 1 4πNRcD (2.32) Kde R c je vzdálenost nejbližšího přiblížení (cm) a N= Na/1, kde Na je Avogadrova konstanta. Na mikroviskozitu může mít vliv i délka hydrofilní části micely. - Metoda založená na intramolekulární excimerní formaci Na rozdíl od intermolekulární excimerní formace, tento proces není translační, ale vyžaduje blízký přístup dvou polovin molekul po celou dobu excitovaného stavu. Nastává tu vnitřní difúzní rotace. 19

21 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1. Materiály a metody Pyren Fluka GmbH, puriss p.a. for fluorescence Dodecylsíran sodný (SDS) Fluka, ultra of molecular biology, GC 99,% TritonX-1 Fluka, total impurities,5% water Propan-1-ol Fluka, for UV-spectroscopy, GC 99.8% Jodbenzen Fluka, GC 99,% Cetylpyridiniumchlorid (CPC) Sigma Aldrich, GC 99,% Tetrakyanoethylen (TKE) Sigma Aldrich, GC 98,% Aceton Penta, p.a. Injekční voda KabiPac, sterile water for injection Pro experimenty byly připraveny zásobní roztoky fluorescenční sondy, pyrenu, a tenzidu, SDS a TritonuX-1, o takové koncentraci, aby se koncentrace micely rovnala koncentraci zásobního roztoku pyrenu. Emisní spektra byla měřena pomocí fluorimetru s použitím 1 cm kyvety za konstantní teploty. Zásobní roztok fluorescenční sondy byl připraven tak, aby po odpaření 5 μl, resp. 1 μl 3 ve vialce a přidání 5 ml SDS o koncentraci 1 1 M, resp. TritonuX-1 o koncentraci 3 2,176 1 M v tomto pořadí, byla koncentrace stejná, jako koncentrace micely, která byla teoreticky určena pomocí rovnice 4.6. Pro pyren jako rozpouštědlo byl použit aceton. Oba dva tenzidy byly rozpuštěny v injekční vodě. Zásobní roztok jodbenzenu byl připraven těsně před vlastním měřením. Jodbenzen byl 3 rozpuštěn v 1-propanolu tak, aby koncentrace jodbenzenu byla 3,5 1 M. Zásobní roztok tetrakyanoethylenu byl připraven několik dní před vlastním měřením. Tetrakyanoethylen byl rozpuštěn v acetonu tak, aby koncentrace tetrakyanoethylenu byla 3 3,5 1 M. Zásobní roztok cetylpyridiniumchloridu byl připraven několik dní před vlastním měřením. Cetylpyridiniumchlorid byl rozpuštěn v injekční vodě tak, aby koncentrace CPC byla 3 1,63 1 M. Pro zjištění kritické micelární koncentrace TritonuX-1 byla připravena jeho koncentrační řada od 2 mm do 8, mm. Jako sondy byly použity pyren a nilská červeň. U obou sond byly pořizovány emisní spektra, kdy u pyrenu byl sledován poměr emisních vlnových délek 373 nm a 384 nm a u nilské červeně byly sledovány vlnová délka při maximální intenzitě fluorescence a totální integrál intenzity flourescence. Dále byl připraven zásobní roztok pyrenu s tenzidem. V zásobní láhvi bylo odpařeno potřebné množství pyrenu tak, aby poměr objemů odpovídal poměru objemů 5 μl sondy/ 5 ml tentidu SDS, resp. 1 μl sondy/ 5 ml tenzidu TritonuX-1. Do vialek bylo odpipetováno pomocí mikropipety potřebné množství sondy, ze které bylo odpařeno rozpouštědlo. Pak bylo přidáno 5 ml tenzidu a roztok byl ponechán minimálně 24 hodin solubilizovat. Potom byl postupně přidáván zhášeč (od 2 μl do 11 μl). Při přídavku jodbenzenu byl připraven kontrolní vzorek, do kterého byl přidán jen 1-propanol. Při přídavku tetetrakyanoethylenu byl ve vialce nejdříve odpařen aceton z tetetrakyanoethylenu, pak bylo teprve přidáno 5 ml roztoku pyrenu s tenzidem. 2

22 Emisní spektra byla pořizována pomocí přístroje Luminescence spectrometer AMINCO Bowman Series 2. Teplota cely s kyvetou byla řízena oběhovým termostatem Grant s externím chlazením. Všechna měření probíhala při teplotě 2 ±.1 C. Emisní spektra pyrenu byly pořizovány při excitační vlnové délce λ = 335 nm, emisní vlnové délce λ = 392 nm a konstantní citlivosti, v rozsahu nm rychlostí 5 nm/s s krokem 1 nm. Byly pozorovány změny totálního integrálu a fluorescenční maxima 1., 3. a 5. píku. Při určení kritické micelární koncentrace byly emisní spektra pyrenu pořizovány při excitační vlnové délce λ = 335 nm, emisní vlnové délce λ = 392 nm a konstantní citlivosti, v rozsahu nm rychlostí 5 nm/s s krokem 1 nm. Byl pozorován poměr fluorescenčního maxima 1. a 3. píku. Emisní spektra nilské červeně byly pořizovány při excitační vlnové délce λ = 57 nm, emisní vlnové délce λ = 65 nm a konstantní citlivosti, v rozsahu nm rychlostí 5 nm/s s krokem 1 nm. Byly zaznamenány změny totálního integrálu a vlnová délka při fluorescenčním maximu. Hodnota kritické micelární koncentrace byla vyhodnocena pomocí Boltzmannovy rovnice: Amax Amin y = A (3.1) + x x ± ( ) Δx 1+ e Kde x představuje inflexní bod a Δx představuje gradient. 2 1,4 1,35 A max 1,3 1,25 I 1 /I 3 1,2 1,15 A min 1,1 1,5 x -2Δx x x +2Δx 1,1,1,1,1,1 Obr. 9: Zobrazení koncentrační řady. Koncentrace TritonuX-1 (M) 21

23 4. VÝSLEDKY A DISKUZE 4.1. SDS Studovali jsme zhášení fluorescence pyrenu v tenzidu SDS s několika druhy zhášečů. Teoretická hodnota agregačního čísla SDS je 8 [22]. My jsme tuto hodnotu zjišťovali pomocí postupného přidávání zhášeče do roztoku. Výsledky jsme pak vyhodnotili pomocí lineární závislosti, která je daná koncentrací zhášeče a logaritmu Φ /Φ. Agregační číslo jsme pak dostali pomocí rovnice 4.1: 1 N k agg = (4.1) SDS cmc kde k vyjadřuje směrnici přímky Jodbenzen [ ] micely Fluorescence (a.u.)) μm, 3,5 μm, 6,99 μm Vlnová délka (nm) Obr. 1: Emisní spektrum pyrenu s postupným přidáváním jodbenzenu v prostředí SDS Měřený roztok obsahoval 5 μl zásobního roztoku pyrenu, 5 ml zásobního roztoku SDS a jodbenzen. Koncentrace zásobního roztoku jodbenzenu byla 3,5 mm. Přídavky jodbenzenu: μl ( ), 5 μl ( ) a 1 μl ( ). Z obrázku číslo 1 je patrné, že zhášení je největší při přídavku 5 μl jodbenzenu. Kvůli špatné rozpustnosti jodbenzenu v roztoku se nám nepodařilo změřit víc jak tři hodnoty. Proto jsme tyto hodnoty ani dál nevyhodnocovali, měření by bylo značně zkreslené. 22

24 Tetrakyanoethylen 7 6, μm, 7,2 μm, 14,4 μm, 21,6 μm, 28,8 μm, 36, μm, 43,2 μm, 5,4 μm, 57,6 μm, 64,8 μm, 72, μm, 79,2 μm Fluorescence (a.u.) rostoucí koncentrace TKE Vlnová délka (nm) Obr. 11: Emisní spektrum pyrenu s postupným přídavkem tetrakyanoethylenu v prostředí SDS Měřený roztok obsahoval 5 μl zásobního roztoku pyrenu, 5 ml zásobního roztoku SDS a tetrakyanoethylen. Koncentrace zásobního roztoku tetrakyanoethylenu byla 3,6 mm. Přídavky tetrakyanoethylenu: μl ( ) 11 μl ( ). Z obrázku číslo 11 jde vidět, že zhášení fluorescence probíhá rovnoměrně jen do 7 μl, pak intenzita fluorescence vzroste a začne mírně klesat až u přídavku 1 μl. Při hodnotě 41 nm si můžeme všimnout isosbestického bodu.,18,15,12 Log (Φ/Φ),9,6,3,1,2,3,4,5,6 Koncentrace TKE (mm) Obr. 12: Zhášení fluorescence pyrenu tetrakyanoethylenem v prostředí SDS (průměr z více měření) Na obrázku číslo 12 je zobrazena závislost zhášení pyrenu tetrakyanoethylenem. V grafu jsou zobrazeny hodnoty přídavku zhášeče jen do 7 μl. Při větším přídavku, jak je ukázané 23

25 na obrázku číslo 11, intenzita fluorescence vzrostla. Dále tu můžeme vidět, že body nelze proložit přímkou. Zhášení bylo ze začátku velmi pomalé (do přídavku 3, mm). Když jsme lineární přímkou proložili první dva body, vyšla nám směrnice přímky 1,3489. Z rovnice 4.1 je hodnota agregačního čísla 2. Pokud bychom jsme vzali v úvahu jen poslední 3 body, byla by hodnota agregačního čísla rovna 16. Tyto hodnoty ale nemůžeme brát za směrodatné Cetylpyridiniumchlorid 4,5 4 Fluorescence (a.u.) 3,5 3 2,5 2 1,5, μm, 3,35 μm, 6,69 μm, 1,2 μm, 13,33 μm, 16,63 μm, 19,92 μm, 23,2 μm, 26,46 μm, 29,71 μm, 32,94 μm rostoucí koncentrace CPC 1, Vlnová délka (nm) Obr. 13: Emisní spektrum pyrenu s postupným přídavkem CPC v prostředí SDS Měřený roztok obsahoval 5 μl zásobního roztoku pyrenu, 5 ml zásobního roztoku SDS a cetylpyridiniumchlorid. Koncentrace zásobního roztoku CPC byla 1,68 mm. Přídavky CPC: μl ( ) 1 μl ( ). Na obrázku číslo 13 je dobře vidět, že zhášení fluorescence pyrenu CPC probíhá rovnoměrně. Největší pokles intenzity fluorescence je vidět při přídavku μl 2 μl. 24

26 1,2 1 Log (Φ/Φ),8,6,4 y = 28,424x +,577 R 2 =,9822,2,5,1,15,2,25,3,35 Koncentrace CPC (mm) Obr. 14: Zhášení fluorescence pyrenu pomocí CPC v prostředí SDS- lineární závislost, přídavek CPC po 1μL (průměr z více měření). Z obrázku číslo 14 je vidět, že pokles intenzity fluorescence probíhal takřka lineárně ( R 2 =,9822 ). Směrnice přímky má v tomto případě hodnot 28,424. Takže hodnota agregačního čísla bude 47 (podle rovnice 4.1).,35,3,25 Log (Φ/Φ),2,15,1 y = 35,397x +,761 R 2 =,8271,5,1,2,3,4,5,6,7,8 Koncentrace CPC (mm) Obr. 15: Zhášení fluorescence pyrenu pomocí CPC v prostředí SDS - lineární závislost, přídavek CPC po 2μL. V obrázku číslo 15 jde důkladněji sledovali zhášení fluorescence pomocí přídavku μl 2 μl CPC. CPC jsme do měřeného roztoku přidávali postupně po 2 μl. Toto měření jsme prováděli kvůli výraznému poklesu intenzity při přídavku CPC do 2 μl, jak je ukázané v obrázku číslo

27 Při menších přídavcích CPC byly hodnoty značně odchýlené od lineární závislosti ( R 2 =,8271). Směrnice přímky je v tomto případě rovna 35,397, takže hodnoty agregačního čísla je 55 (podle rovnice 4.1) TritonX-1 K tomu, abychom jsme mohli zjistit agregační číslo TritonuX-1, potřebovali jsme jeho kritickou micelární koncentraci. A protože jsou tabulkové hodnoty určené jako interval, museli jsme cmc zjistit vlastním měřením. Měření jsme provedli při různých koncentracích TritonuX-1. Jako sondy byly použity pyren a nilská červeň. Dále jsme studovali zhášení fluorescence pyrenu v tenzidu TritonuX-1 se stejnými druhy zhášečů jako při použití SDS. Teoretická hodnota agregačního čísla TritonuX-1 je 1-15 [22]. My jsme tuto hodnotu zjišťovali pomocí postupného přidávání zhášeče do roztoku. Výsledky jsme pak vyhodnotili pomocí rovnice Stanovení kritické micelární koncentrace 1,4 1,35 1,3 1,25 I1/I3 1,2 1,15 1,1 1,5 1,1,1,1,1,1 Koncentrace TritonuX-1 (M) Obr. 16: Závislost polaritního parametru TritonuX-1 na poměru intenzit fluorescence při použití pyrenu Při použití pyrenu jsme cmc určili z inflexního bodu, tedy z bodu x. Cmc tedy v tomto případě vyšla,21 mm. 26

28 Atot ,E-6 1,E-5 1,E-4 1,E-3 1,E-2 Koncetratrace TritonX-1 (M) λmax (nm) Obr. 17: Závislost koncentrace TritonuX-1 na totálním integrálu fluorescence a na vlnové délce připadající hodnotě fluorescenčního maxima za použití nilské červeně Při použití nilské červeně jsme cmc za pomoci totálního integrálu určili z inflexního bodu. Cmc měla v tomto případě hodnotu,29 mm. Za pomoci vlnové délky jsme hodnotu cmc určili z bodu x 2Δx. V tomto případě měl bod hodnotu,22 mm [29]. Tabulka 1: Hodnoty kritické micelární koncentrace cmc (mm) (a) cmc (mm) (b) cmc (mm) (c) cmc (mm) (d) TritonX-1,21-,29,16,3,2-,9 (a) (b) (c) (d) hodnota zjištěná měřením hodnota zjištěná z rešerše [9] hodnota zjištěná z rešerše [28] hodnota určená výrobcem, dostupná z < Námi naměřená cmc má nižší hodnotu než kterou udávají dostupné zdroje. To může být způsobeno tím, že jsme do systému přidávali třetí složku, která mohla ovlivnit interakci molekul tenzidu. 27

29 Jodbenzen 7 6 Fluorescence (a.u.) , μm, 1,4 μm, 2,8 μm, 2 4 4,26 μm, 8 5,6 μm, rostoucí koncentrace jodbenzenu Vlnová délka (nm) Obr. 18: Emisní spektrum pyrenu s postupným přidáváním jodbenzenu v prostředí TritonuX-1 Měřený roztok obsahoval 1 μl zásobního roztoku pyrenu, 5 ml zásobního roztoku TritonuX-1 a jodbenzen. Koncentrace zásobního roztoku jodbenzenu byla 3,5 mm. Přídavky jodbenzenu: μl ( ) 8 μl( ) po dvou μl. Z obrázku číslo 18 je patrné, že zhášení je největší při přídavku 2 μl jodbenzenu. Dále tu vidíme, že zhášení fluorescence neprobíhá rovnoměrně. Při přídavku 2 μl jodbenzenu je intenzita fluorescence nepatrně menší než při přídavku 4 μl. 1,6 1,4 Log (Φ/Φ) 1,2 1,8,6 y = 23,53x +,2655 R 2 =,7942,4,2,1,2,3,4,5,6 Koncentrace jodbenzenu (mm) Obr. 19: Zhášení fluorescence pyrenu jodbenzenem v prostředí TritonuX-1- lineární závislost (průměr z více měření) 28

30 Na obrázku číslo 19 je zobrazena lineární závislost zhášení pyrenu jodbenzenem. Lineární regresí jsme zjistili, že naměřené hodnoty mají od přímky značné odchylky ( R 2 =,7942 ), což znamená, že pokles intenzity fluorescence neprobíhal lineárně. Směrnice přímky má hodnotu 23,53, z čehož vyplývá (z rovnice 4.1), že hodnota agregačního čísla bude Tetrakyanoethylen 7 6 Fluorescence (a.u.) μm, 7,2 μm, 14,4 μm, 21,6 μm, 28,8 μm, 36, μm, 43,2 μm, 5,42 μm, 57,6 μm, 64,8 μm, 72, μm rostoucí koncentrace TKE Vlnová délka (nm) Obr. 2: Zhášení fluorescence pyrenu tetrakyanoethylenem v prostředí TritonuX-1 Měřený roztok obsahoval 1 μl zásobního roztoku pyrenu, 5 ml zásobního roztoku TritonuX-1 a tetrakyanoethylen. Koncentrace zásobního roztoku tetrakyanoethylenu byla 3,86 mm. Přídavky tetrakyanoethylenu: μl ( ) 1 μl ( ). Z obrázku číslo 2 jde vidět, že zhášení fluorescence neprobíhá rovnoměrně.,25,2 Log (Φ/Φ),15,1 y = 2,631x -,72 R 2 =,955,5 -,5,1,2,3,4,5,6,7,8 Koncentrace TKE (mm) Obr. 21: Zhášení fluorescence pyrenu tetrakyanoethylenem v prostředí TritonuX-1- lineární závislost (průměr z více měření) 29

31 Lineární regresí jsme zjistili, že naměřené hodnoty mají od přímky nepatrnou odchylku ( R 2 =,955).Směrnice přímky má hodnotu 2,631. Z rovnice 4.1 je hodnota agregačního čísla Cetylpyridiniumchlorid 7 6 μm, 3,4 μm, 6,7 μm, 1, μm, 13,3 μm, 16,6 μm, 19,9 μm, 23,2 μm, 26,5 μm, 29,7 μm, 32,9 μm Fluorescence (a.u.) rostoucí koncentrace CPC Vlnová délka (nm) Obr. 22: Zhášení fluorescence pyrenu pomocí CPC v prostředí TritonuX-1,7,6,5 y = 17,531x +,125 R 2 =,9892 Log (Φ/Φ),4,3,2,1,5,1,15,2,25,3,35 Koncentrace CPC (mm) Obr. 23: Zhášení fluorescence pyrenu pomocí CPC v prostředí TritonuX-1- lineární závislost (průměr z více měření) 3

32 Měřený roztok obsahoval 1 μl zásobního roztoku pyrenu, 5 ml zásobního roztoku TritonuX-1 a cetylpyridiniumchlorid. Koncentrace zásobního roztoku CPC byla 1,68 mm. Přídavky CPC: μl ( ) 1 μl ( ). Na obrázku číslo 22 je dobře vidět, že zhášení fluorescence pyrenu CPC probíhá rovnoměrně. Z obrázku číslo 23 je vidět, že pokles intenzity fluorescence probíhal takřka lineárně ( R 2 =,9892). Směrnice přímky má v tomto případě hodnot 17,531. Takže hodnota agregačního čísla je 35 (z rovnice 4.1). 31

33 5. ZÁVĚR Hlavní náplň práce tvoří internetová a literární rešerše zaměřená na vyhledávání praktických poznatků o využití fluorescenčního zhášení ve studiu koloidních roztoků. Zkoumali jsme tři druhy zhášečů (jodbenzen, tetrakyanoethylen a cetylpyrimidiumchlorid) v prostředí anionaktivní a neionogenního tenzidu. V této práci byl jako sonda použit pyren. Z internetových a literárních rešerší jsme zjistili, že hodnotu agregačního čísla můžeme určit pomocí zhášení fluorescence sondy solubilizované do micely. Tuto hodnotu může ovlivnit koncentrace tenzidu, teplota a přídavek soli do roztoku. Dále jsme zjistili, že pro zjištění mikroviskozity existuje řada metod. Volba vhodné metody závisí na studovaném sytému. Při použití metody zhášení fluorescence je experiment velmi rychlý ale je tu rušivý vliv difúze v mikroheterogenním prostředí. Z experimentální části jsme při porovnání různých zhášečů a prostředí dospěli k závěru, že pro zjištění agregačního čísla je nejvhodnější cetylpyridiumchlorid. Při postupném přidávání CPC do roztoku byl pokles intenzity fluorescence rovnoměrný a vykazoval jen nepatrné odchylky od linearity. Tyto odchylky jsou způsobeny přidáním poměrně velkého tenzidu (CPC) do druhého tenzidu. Tím se můžou změnit charakteristické vlastnosti micely. Při použití CPC se naměřené hodnoty agregačního čísla nejvíce přibližovaly teoretickým hodnotám. U tetrakyanoethylenu byl pokles intenzity fluorescence velmi pomalý. Proto zjištěné hodnoty agregačního čísla měli velmi malou hodnotu. Tetrakyanoethylen a acetonem rychle reagoval a proto pro každé měření musel být připraven nový roztok U jodbenzenu jsme měli největší problém s jeho rozpustností. Při přídavku jodbenzenu, rozpuštěného v 1-propanolu, do roztoku se po delší solubilizaci a nebo při vyšší koncentraci zhášeče jodbenzen vysrážel na dně vialky a nebo se celý roztok zakalil. Pak už měření intenzity fluorescence nebylo možné. Proto jsme nemohli udělat počet měření potřebných k správnému výsledku. Když jsme porovnali přesnost zjištění agregačního čísla při použití SDS a TritonuX-1 zjistili jsme, že SDS nám dává o hodně přesnější hodnoty agregačního čísla než při použití TritonuX-1. Teoretická hodnota agregačního čísla SDS je 8, nám při použití CPC jako zhášeče, vyšla 47. TritonX-1 má teoretickou hodnotu agregačního čísla 1-15, měřením, při použití CPC jako zhášeče,nám vyšla hodnota 35. U TritonuX-1 je ale diametrální odlišnost mezi hodnotami agregačního čísla udávanými výrobcem (1-15) a hodnotami z rešerší (64) [9]. K získání přesnějších výsledků by jsme doporučili použít metodu časově rozlišné fluorescence, která v současné době patří mezi nejpoužívanější metody. Na závěr by jsme chtěli dodat, že zadané cíle práce byly splněny. 32